Les scientifiques de Salk élargissent le code génétique des mammifères pour contrôler l'activité des protéines dans les neurones avec la lumière

Les scientifiques de Salk élargissent le code génétique des mammifères pour contrôler l'activité des protéines dans les neurones avec la lumière

Une nouvelle technique permet aux chercheurs d'activer des protéines dans le cerveau en les éclairant avec une lumière LED.

LA JOLLA, CA — D'une simple pression sur un interrupteur, les chercheurs du Salk Institute for Biological Studies peuvent modifier la forme d'une protéine dans le cerveau d'une souris et l'activer au moment précis souhaité. Cela leur permet d'observer l'effet précis de l'activation de la protéine. La nouvelle méthode, décrite dans le numéro du 16 octobre 2013 de la revue, Neurons'appuie sur des acides aminés spécialement conçus – les molécules qui composent les protéines – et sur la lumière d'une LED. Maintenant que son efficacité a été démontrée, cette technique peut être adaptée pour permettre aux chercheurs de contrôler une grande variété d'autres protéines cérébrales afin d'en étudier les fonctions.

« Ce que nous sommes désormais capables de faire, c'est non seulement de contrôler l'activité neuronale, mais aussi de contrôler une protéine spécifique dans un neurone », explique l'auteur principal de l'étude. Lee Wang, professeur associé à Salk's Centre Jack H. Skirball de biologie chimique et de protéomique et titulaire de la chaire de développement Frederick B. Rentschler.

Si un scientifique souhaite déterminer quel groupe de neurones cérébraux est responsable d'une action ou d'un comportement particulier, la possibilité d'activer et de désactiver ces neurones à volonté lui offre un moyen ciblé de tester leurs effets. De même, s'il souhaite connaître le rôle d'une protéine spécifique dans les cellules, la capacité d'activer ou d'inactiver cette protéine est essentielle à l'étude de sa biologie.

De gauche à droite : Lei Wang, scientifique de Salk, et Ji-Yong Kang, étudiant diplômé.

Image : avec l'aimable autorisation du Salk Institute for Biological Studies

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé plusieurs méthodes permettant d'activer ou de désactiver les neurones grâce à la lumière, dans le cadre du domaine en plein essor de l'optogénétique. Lors d'expériences optogénétiques, des souris sont génétiquement modifiées pour intégrer à leurs neurones un canal photosensible issu d'algues. Lorsqu'il est exposé à la lumière, le canal s'ouvre ou se ferme, modifiant le flux de molécules dans le neurone et sa capacité à transmettre un message électrochimique à travers le cerveau. Grâce à ces approches optogénétiques, les scientifiques peuvent sélectionner les neurones cérébraux qu'ils souhaitent activer ou désactiver à tout moment et observer les changements qui en résultent chez les souris modifiées.

« Il ne fait aucun doute qu'il s'agit d'un excellent moyen de contrôler l'activité neuronale, en empruntant des canaux ou des pompes photosensibles à d'autres organismes et en les intégrant aux neurones », explique Wang. « Mais plutôt que d'introduire un étranger dans les neurones, nous souhaitions contrôler l'activité de protéines natives des neurones. »

Pour que les protéines réagissent à la lumière, l'équipe de Wang a exploité un acide aminé photosensible, appelé Cmn, doté d'une structure chimique volumineuse. Lorsqu'une impulsion lumineuse éclaire la molécule, la chaîne latérale volumineuse de Cmn se rompt, laissant place à la cystéine, un acide aminé plus petit. L'équipe de Wang a compris que si un seul Cmn était intégré au bon endroit dans la structure d'une protéine, la modification radicale de sa taille pouvait activer ou inactiver la protéine entière.

Pour tester leur idée, Wang et ses collègues ont conçu de nouvelles versions d’un canal potassique dans les neurones, en ajoutant Cmn à leur séquence.

« L'idée principale était que lorsque l'on place cet acide aminé dans le pore du canal, la chaîne latérale volumineuse bloque entièrement le passage des ions à travers le canal », explique Ji-Yong Kang, étudiant diplômé du groupe de Wang et premier auteur de la nouvelle étude. « Ensuite, lorsque la liaison de l'acide aminé se rompt sous l'effet de la lumière, le canal s'ouvre. »

La méthode a fonctionné sur des cellules isolées : après tâtonnements, les scientifiques ont trouvé l'emplacement idéal du canal pour y placer le Cmn, de sorte que le canal, initialement bloqué, s'ouvre lorsqu'il est éclairé par la lumière. Ils ont pu mesurer l'évolution des propriétés du canal en enregistrant le courant électrique traversant les cellules avant et après exposition à la lumière.

Mais pour appliquer cette technique à des souris vivantes, Wang et ses collègues ont dû modifier le code génétique des animaux, c'est-à-dire les instructions intégrées que les cellules utilisent pour produire des protéines à partir de séquences génétiques. Le code génétique normal ne contient pas d'informations sur la Cmn ; la simple injection d'acides aminés de la Cmn chez la souris ne permettrait donc pas l'intégration de ces molécules dans les protéines. Par le passé, le groupe de Wang et d'autres chercheurs ont élargi le code génétique de cellules isolées d'organismes simples comme les bactéries ou les levures, en y insérant des instructions pour un nouvel acide aminé. Mais cette approche n'avait jamais été couronnée de succès chez les mammifères. Grâce à une combinaison de techniques et de nouvelles astuces, l'équipe de Wang a pu fournir à des souris embryonnaires les instructions pour le nouvel acide aminé, la Cmn. Avec l'aide du professeur Salk Dennis O'Leary et son associé de recherche Daichi Kawaguchi, ils ont ensuite intégré le nouveau canal contenant Cmn dans le cerveau des souris en développement et ont montré qu'en éclairant le tissu cérébral, ils pouvaient forcer l'ouverture du canal, modifiant ainsi les schémas d'activité neuronale. Il s'agissait d'une première non seulement pour l'expansion du code génétique des mammifères, mais aussi pour le contrôle des protéines.

À première vue, la nouvelle approche produit le même résultat que les approches optogénétiques pour l'étude du cerveau : les neurones sont inhibés à un moment précis en réponse à la lumière. Mais la méthode de Wang peut désormais être utilisée pour étudier tout un ensemble de protéines différentes dans les neurones. Outre son utilisation pour ouvrir et fermer les canaux ou les pores qui laissent entrer et sortir les ions des cellules cérébrales, la Cmn pourrait servir à réguler optiquement les modifications protéiques et les interactions protéine-protéine.

« Nous pouvons identifier précisément quelle protéine, voire quelle partie d'une protéine, est essentielle au fonctionnement des neurones ciblés », explique Wang. « Pour étudier un phénomène comme le mécanisme de formation de la mémoire, il ne s'agit pas toujours de déterminer quels neurones sont responsables, mais quelles molécules à l'intérieur de ces neurones sont essentielles. »

Plus tôt cette année, le président Obama a annoncé un plan de plusieurs milliards de dollars pour Recherche sur le cerveau par le biais de l'initiative BRAIN (Neurotechnologies innovantes), un projet de dix ans visant à cartographier l'activité du cerveau humain. La création de nouvelles méthodes d'étude des molécules cérébrales, comme l'utilisation d'acides aminés sensibles à la lumière pour étudier les protéines neuronales, sera essentielle pour faire avancer cette initiative et d'autres initiatives similaires visant à comprendre le cerveau, explique Wang. Son laboratoire travaille actuellement à développer des méthodes permettant non seulement d'activer, mais aussi de désactiver les protéines à l'aide d'acides aminés sensibles à la lumière, et d'appliquer cette technique à d'autres protéines que Kir2.1.

Les autres chercheurs ayant participé à l'étude étaient Daichi Kawaguchi, Irene Coin, Zheng Xiang, Dennis DM O'Leary du Salk Institute for Biological Studies et Paul A. Slesinger de la Mount Sinai School of Medicine.

Le travail a été soutenu par une bourse d'innovation Salk, une bourse Marie Curie de la Commission européenne et des subventions du Institut californien de médecine régénérative et la Instituts nationaux de la santé des États-Unis.

À propos du Salk Institute for Biological Studies :
Le Salk Institute for Biological Studies est l'un des principaux instituts de recherche fondamentale au monde. Des professeurs de renommée internationale y explorent des questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur l'encadrement des futures générations de chercheurs, les scientifiques du Salk contribuent de manière révolutionnaire à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale, et les disciplines connexes.

Les réalisations de ses professeurs ont été récompensées par de nombreuses distinctions, dont des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par le Dr Jonas Salk, pionnier du vaccin contre la polio, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.